\section{空气}\label{sec:1-1}

空气是我们经常接触的物质，但是人们研究空气的成分却比较晚。
这因为空气是一种既看不见踪影又闻不着气味的气体。人们曾长期认为空气是一种单一的物质。
后来，人们对燃烧现象和空气组成作了深入的研究，才认识到空气并不是单一的物质。
那么，空气究竟是由哪些物质组成的？

很多有科学家为解决这个问题作了许多研究工作。

早在十八世纪七十年代，瑞典化学家舍勒和英国化学家普利斯特里\footnote{舍勒（Scheele，1742 —\, 1786）；普利斯特里（Priestley，1733 一 1804）。}%
曾先后用加热某些物质的不同方法，分别发现并制得了一种气体，它能使物质燃烧得更旺，这就是现在所说的氧气。
但当时流传着一种错误的理论，认为物质能够燃烧，是因为其中含有一种“燃素”的特殊东西，
物质燃烧就是物质失去了这种特殊东西而变成灰烬或残渣。
舍勒和普利斯特里没有摆脱这种当时占统治地位的错误理论的束缚，
未能对燃烧现象作出正确的解释，没有得出燃烧是物质跟空气里含有的氧气起反应的科学结论。

法国化学家拉瓦锡\footnote{拉瓦锡（Lavoisier, 1743 —\, 1794）。}最早运用天平作为研究化学的工具，在实验里重视化学反应中物质质量的变化。
当拉瓦锡知道了普利斯特里制取氧气的方法后，就做了一个著名的实验\footnote{见小号楷体字材料。小号楷体字材料是供学生课外阅读的。}。
他摆脱了传统的错误理论的束缚，尊重事实，对实验作了科学的分析和判断，
揭示了燃烧是物质跟空气里的氧气发生了反应，指出了物质里根本不存在一种所谓燃素的特殊东西。
拉瓦锡在前人工作的基础上，通过实验得出了空气是由氧气和氮气组成的结论。

\begin{yuedu}

\begin{wrapfigure}[10]{r}{7cm}
    \centering
    \includegraphics[width=5cm]{../pic/czhx1-ch1-1}
    \caption{拉瓦锡研究空气成分所用的装置}\label{fig:1-1}
\end{wrapfigure}

    拉瓦锡研究空气成分的实验是怎样进行的呢？

    拉瓦锡把少量汞（俗称水银）放在密闭的容器（图 \ref{fig:1-1}）里连续加热 $12$ 天。
    结果发现，有一部分银白色的液态汞变成红色粉末，同时容器里的空气的体积差不多减少了 $1/5$。
    拉瓦锡研究了剩余的那部分空气，发现这部分空气既不能供给呼吸，维持动物的生命，也不能支持燃烧。
    它就是我们现在所说的氮气（拉丁文原意是“不能维持生命”）。

    拉瓦锡把汞表面上所生成的红色粉末（后来证明是氧化汞）收集起来，放在另一个较小的容器里再加强热，
    得到了汞和氧气，而且氧气的体积恰好等于密闭容器里所减少的空气的体积。
    他把得到的氧气加到前一个容器里剩下的约 $4/5$ 体积的气体里去，结果得到的气体跟空气的性质完全一样。
    通过这些实脸，拉瓦锡得出了空气是由氧气和氮气组成的结论。

\end{yuedu}


我们可以回忆小学自然常识课里，证明空气里含有氧气和氮气两种成分的实验。

在十九世纪末以前，人们都深信空气里仅含有氧气和氮气两种气体。
空气里是不是只含有氧气和氮气呢？十九世纪末，科学家又做了不少实验，终于发现，空气里还含有
氦、氖、氩、氪、氙\footnote{氦\,音\pinyin{hai4}、氖\,音\pinyin{nai3}、氩\,音\pinyin{ya4}、氪\,音\pinyin{ke4}、氙\,音\pinyin{xian1}}等惰性气体。

此外，空气里还含少量的二氧化碳、水蒸气以及其它气体和杂质。

空气的成分按体积计算，大致是：氧气 $21\%$， 氮气 $78\%$，惰性气体 $0.94\%$，二氧化碳 $0.03\%$，
其它气体和杂质 $0.03\%$（图\ref{fig:1-2}）。

\begin{figure}[htbp]
    \centering
    \input{../pic/czhx1-ch1-2}
    \caption{空气的成分（按体积计算）}\label{fig:1-2}
\end{figure}

空气的成分一般说来是比较固定的。但是，自近代以来，随着工业的发展和燃料用量的激增，
排放到空中的一些有害气体和烟尘，改变了空气的成分．并且使空气受到污染。
例如，煤燃烧产生的废气，石油化工厂排放的毒气，汽车排气形成的烟雾，等等，
使一些城市的空气污染日益严重，对人类造成很大的危害。
我们一定要采取各种措施，防止空气受到污染，保护环境，为人类生活提供清洁的空气。

空气是一种十分重要的天然资源。在我们国家里，随着社会主义建设事业的发展，
从空气里分离出来的氧气、氮气和惰性气体，已经广泛地应用在工农业生产和国防建设中。

氧气的性质和用途将在下节介绍。现在我们先简略地认识一下氮气和惰性气体的性质及其用途。

在通常状况\footnote{通常情况一般指的是在 $20$ ℃ 左右和大约 $1$ 标准大气压时的状况。}下，
氮气是没有颜色、没有气味的气体，它很难跟其它物质发生变化。
但是在一定条条件下，氮气也能跟其它物质发生化学反应。
我们常利用氮气的这种性质来制取氮肥、炸药等等。因此，氮气是一种重要的化学工业原料。
氮气对农业生产也很重要，空气里的氮气被豆科作物根瘤菌固定后，能够成为作物的氮素养料。

氦、氖、氩、氪、氙等惰性气体都是没有颜色、没有气味的气体。

\begin{yuedu}

    惰性气体是怎样被发现的呢？

    二百多年前，人们已经知道，空气里除了少量的水蒸气、二氧化碳外，其余的就是氧气和氮气。
    1785 年，英国科学家卡文迪许\footnote{卡文迪许（Cavendish，1731 —\, 1810）。}通过实验发现，
    把不含水蒸气、二氧化碳的空气除去氧气和氮气后，仍有很少量的残余气体存在。这种现象在当时并没有引起化学家的重视。
    一百多年后，英国物理学家雷利\footnote{雷利（Rayleigh，1842 —\, 1919）。} 测定氮气的密度时，
    发观从空气里分离出的氮气每升质量是 $1.2572$ 克，而从含氮物质制得的氮气每升质量是 $1.2505$ 克。
    经多次测定，两者质量相差仍是几毫克。
    可贵的是雷利没有忽视这种微小的差异，他怀疑从空气分离出来的氮气里含有没被发现的较重的气体。
    于是，他查阅了卡文迪许过去写的资料，并重新做了实验。
    1894 年，他在除掉空气里的氧气和氮气以后，得到了很少量的极不活泼的气体。
    与此同雷利的朋友、英国化学家拉姆塞\footnote{拉姆塞（Ramsay，1852 —\, 1916）。}用其它方法从空气里也得到了这样的气体。
    经过分析，判断该气体是一种新物质\footnote{实际上，这一气体里除氩气外仍含有极少量的其它惰性气体。}。
    由于这气体极不活泼，所以命名为氩（拉丁文原意是“懒惰”）。

    以后几年里，拉姆塞等人又陆续从空气里发现氦气、氖气、氪气和氙气。

\end{yuedu}


过去，人们认为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气等不跟其它物质发生化学反应，因此把它们叫做惰性气体。
现在，人们通过科学实验已经发现，在一定条件下，有些惰性气体也能跟某些物质发生化学反应，生成其它物质。
因此，我们平常按习惯叫的惰性气体，它们的 “惰性” 是相对的，而不是绝对的。

惰性气体在空气里的含量很少，所以又叫做稀有气体。随着科学技术的发展，惰性气体的应用越来越广泛。

由于惰性气体一般不跟其它物质发生化学反应，人们利用这种性质，在一些工业生产中，常常把它们用作保护气。
例如，用电弧焊接火箭、飞机、轮船、导弹等用的不锈钢、铝或铝合金等时，可以用氩气来隔绝空气，防止金属在高温下跟其它物质起反应。
还可以把氩气和氮气的混和气体充入灯泡里，使灯泡经久耐用。

惰性气体在通电时会发出有色的光。因此，它们在电光源中有特殊的应用。
灯管里充入氩气．通电时会发出紫蓝色光；充入氦气，通电时会发出粉红色光；
充入氖气，通电时会发出红光，这种光能穿透浓雾，所以氖灯可用作航空、航海的指示灯。
五光十色的霓虹灯就是利用惰性气体的这种性质制成的。
在石英玻璃管里充入氙气的氙灯，通电时能发出比萤光灯强几万倍的强光，因此叫做 “人造小太阳” 。
这种灯可用于广场、体育场、飞机场等的照明。

氖气、氪气、氙气还可用于激光技术等方面。
氦气在原子反应堆技术中可用作冷却剂。
作为麻醉剂，氙气在医学上也很受重视。


\begin{xiti}

\xiaoti{填空：}

空气的成分按体积计算，大致是 \xhx 占 $21\%$，\xhx 占 $78\%$，
\xhx 占 $0.94\%$，\xhx 占 $0.03\%$ 以及 \xhx 占 $0.03\%$。所以说，
空气的成分以 \xhx 、\xhx 为主，其中 \xhx 约占空气体积的 $1/5$，
\xhx 约占空气体积的 $4/5$。

\xiaoti{举例说明氮气的主要用途。}

\xiaoti{下列关于惰性气体的叙述，哪个是错误的？把错误的叙述加以改正。}
\begin{xiaoxiaotis}

    \xxt{惰性气体是氦、氖、氩、氪、氙等气体的总称。}

    \xxt{惰性气体不跟其它物质发生化学反应。}

    \xxt{灯管里分别充入氦气、氖气或氩气等惰性气体，通电时会发出不同的有色光。}

\end{xiaoxiaotis}

\end{xiti}


